一种基于熔融沉积原理的四轴联动3D打印装置的制作方法

本发明属于3d打印制造领域，涉及一种基于熔融沉积原理的四轴联动3d打印装置。

背景技术：

近年来，3d打印制造技术作为一种新兴的制造成型技术，具有成型周期短、易于成型复杂多样的空间结构、便于个性化制造、节省材料和操作简单等诸多优点，发展十分迅速。凭借其“增材制造”的独特优势，在航空航天、模具制造和生物医疗工程等领域具有广阔的应用前景，特别适用于医疗器械个性化制造。但是，传统的3d打印装置只有xyz三个方向的平动，在打印成型气管和管支架这类管网状结构时需添加大量辅助支撑材料，不仅降低了成型效率，而且去支撑材料工序繁琐，会造成表面质量和尺寸精度下降。为了克服上述问题，需要对3d打印机运动机构进行改进，在已有的笛卡尔式三轴运动基础上增加a轴运动，实现四整机四轴联动；提供一种以整圈连续旋转的a轴表面作为成型平台，打印过程中无需添加任何支撑结构的3d打印装置，对成型打印各类管网状支架结构具有重要意义。

技术实现要素：

本发明为克服现有技术的缺陷，发明一种是基于熔融沉积技术的四轴联动3d打印装置，打印装置以整圈连续旋转的a轴表面作为成型平台，其打印工作区域采用可拆卸轴套方式。能够十分方便制备出复杂管网状支架结构，省去打印时添加大量辅助支撑结构及后期去除处理等复杂操作过程，节省了打印材料，从而能有效提高了试件打印的管网状支架结构的成型率和表面质量。

本发明采用的技术方案是一种基于熔融沉积原理的四轴联动3d打印装置，其特征是，打印装置由机架4、打印喷头组件、控制组件、x轴驱动组件、y轴驱动组件、z轴驱动组件和a轴驱动组件组成；

所述打印喷头组件包括挤出步进电机10、挤出头15、固定架14、散热风扇16和两根直线导轨22；挤出头15内部装有加热棒和温度传感器；固定架14外部两端装有散热风扇16，内部垂直布有两个滑动轴承，装在两根直线导轨上22；导轨两端分别固定在x、y轴的滑块13上；为减轻打印喷头装置重量，挤出步进电机10装在了机架4后侧面，为挤出头15送料；

所述控制组件包括主控板、旋转按钮1、显示屏2和sd卡槽3；主控板装在机架4底部，旋转按钮1和显示屏2装在机架4正面下侧；

所述x轴驱动组件包括x向步进电机18、a同步带齿轮25、a同步齿带24、b同步带齿轮25、b同步齿带26、传动直线导轨11和滑块13，所述x向步进电机18安装在机架4上，a同步带齿轮25安装在x向步进电机18的电机轴上，传动直线导轨11的一端装有b同步带齿轮25，a同步带齿轮25和b同步带齿轮25通过a同步齿带24连接；两根传动直线导轨11在同一平面内平行x向放置，传动直线导轨11两端均装有b同步带齿轮25；两根直线导轨之间通过位于两端的两根b同步带26连接；两根b同步带26上都固定有滑块13；

所述y轴驱动组件包括y向步进电机12、a同步带齿轮25、a同步齿带24、b同步带齿轮25、b同步齿带26、传动直线导轨11和滑块13，其各部件间装配关系与x轴驱动组件相同；

所述z轴驱动组件包括z向步进电机27、两根z轴19、z向丝杆17、升降平台20及z向丝母；z向步进电机27通过螺栓固定在机架4底部，与z向丝杆17一端相连接，升降平台20内装有z向丝母套装在z向丝杆17上，升降平台20与z轴19滑动连接，z轴19安装在机架4上；两根z轴19与z向丝杆17相平行且均竖直布置；

所述a轴驱动组件中，a轴步进电机8通过若干均布紧固螺钉连接到a轴电机支架7上，通过联轴器9与a轴5一端连接，为整个a轴装置的旋转提供动力；a轴5一端与带座轴承6配合，并采用轴肩定位；a轴5外部与轴套28配合，为方便实现不同内径支架的成型制造，轴套28为内径相同，但外径不同有一系列尺寸供选择；a轴5内部装有加热棒31和热敏电阻传感器32；滑环33固定在a轴5另一端内部，将轴内加热电路导线引出与控制组件连接；平板21与升降平台20之间部有三个弹簧29，调平螺钉30穿过弹簧29连接平板21和升降平台20，用于调节平板21的水平度；a轴电机支架7和带座轴承6通过内六角螺栓固定在平板21上。

本发明有益效果是克服了传统的3d打印机制造类似管网状支架结构模型需添加繁琐辅助支撑结构，从而造成成型困难和结构表面质量差等问题。打印装置能够十分方便制备出薄壁管网状结构，打印过程中无需添加任何辅助支撑结构，进而简化了后处理等复杂操作过程，节省了打印材料，并有效提高了试件打印的成型率和表面质量，对实现薄壁管网状支架以及其他特殊复杂结构具有重大意义。本发明中a轴装置控制灵活、安装拆卸简便、通过更换不同外径轴套能成型一系列内径的试件，简单实用易于操作和推广，提高结构打印的工作效率。

附图说明

附图1为3d打印装置整体结构示意图，附图2为3d打印装置去掉机架的内部结构示意图，附图3为3d打印装置的a轴装置结构示意图。

图中：1、旋转按钮；2、显示屏；3、sd卡槽；4、机架；5、a轴；6、带座轴承；7、a轴电机支架；8、a轴步进电机；9、连轴器；10、挤出步进电机；11、传动直线导轨；12、y向步进电机；13、滑块；14、固定架；15、挤出头；16、散热风扇；17、z向丝杆；18、x向步进电机；19、z轴；20、升降平台；21、平板；22、直线导轨；23、a同步带齿轮；24、a同步齿带；25、b同步带齿轮；26、b同步齿带；27、z向步进电机；28、轴套；29、弹簧；30、调平螺钉；31、加热棒；32、热敏电阻传感器；33、滑环。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，通过具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

附图1、附图2为3d打印装置整体结构示意图，附图3为3d打印装置的a轴装置结构示意图。如图所示，打印装置由机架、打印喷头组件、控制组件、x轴驱动组件、y轴驱动组件、z轴驱动组件和a轴驱动组件组成；控制组件协调控制x轴、y轴、z轴驱动组件的运动，从而实现打印喷头组件在x和y方向上水平移动和z向的上下运动。a轴表面作为打印工作平台可实现旋转方向可变得整圈连续旋转运动，整个a轴装置可在z轴方向上下运动，从而实现了整个装置的四轴联动。

打印喷头组件由挤出步进电机10、挤出头15、固定架14、散热风扇16和两根直线导轨22组成；挤出头15内部装有加热棒和温度传感器；为减轻打印喷头装置重量，挤出步进电机10装在机架4后侧面，为挤出头送料。

控制组件包括主控板、旋转按钮1、显示屏2和sd卡槽3；主控板装在机架4底部，旋转按钮1和显示屏2装在机架4正面下侧。控制组件通过比例-积分-微分控制a轴驱动组件中的由加热棒和热敏电阻传感器组成的温控系统，可保证a轴表面精确保持在恒定温度，提高零件成型率和质量。

x轴驱动组件由x向步进电机18、a同步带齿轮25、a同步齿带24、b同步带齿轮25、b同步齿带26、传动直线导轨11和滑块13组成，由x向步进电机驱动3d打印装置完成x向的运动。

y轴驱动组件包括y向步进电机12、a同步带齿轮25、a同步齿带24、b同步带齿轮25、b同步齿带26、传动直线导轨11和滑块13，其各部件间装配关系与x轴驱动组件相同。

z轴驱动组件由z向步进电机27、两根z轴19、z向丝杆17、升降平台20及z向丝母组成，由z向步进电机27驱动打印装置完成z向上下运动。

所述a轴驱动组件由平板21、弹簧29、电机支架7、a轴步进电机8、连轴器9、a轴5、轴套28、带座轴承6、加热棒31、热敏电阻传感器32和滑环33、调平螺钉30构成。电机支架7和带座轴承6通过内六角螺栓固定在平板21上；a轴步进电机8通过若干均布紧固螺钉连接到电机支架7上，a轴步进电机8通过联轴器9与a轴5一端连接，为整个a轴装置的旋转提供动力；a轴5一端与带座轴承6配合，并采用轴肩定位；a轴打印工作区域外部可与轴套紧密配合；a轴内部装有加热棒和热敏电阻传感器；滑环33固定在a轴5的另一端内部，将轴内加热电路导线引出与控制组件连接。

a轴驱动组件中轴套可拆换，具有内径相同但外径不同一系列轴套可供选择，方便实现不同内径的管状结构模型的成型制造。

本实例中采用直径为10mm的a轴外配合外径12mm的轴套28，在其表面打印成型了内径为12mm、厚度为0.8mm，长度为35mm的类似生物可降解血管支架bvs1.1的结构。

首先在计算机中完成内径为12mm、厚度为0.8mm，长度为35mm的血管支架三维建模，将生成的三维模型导入到相应的切片软件中进行切片处理和加工轨迹规划；选取默认线材类型，此处选用聚乳酸(pla)材料，设定挤出头15工作温度为227℃，a轴5工作温度设定为60℃，设定散热风扇16转速，生成gcode格式文件；

其次，将直径为12mm、长度为40mm的轴套28与a轴5装配，开启3d打印装置电源，打印装置进入预设程序，完成手动打印线材安装，并通过旋转升降平台20上的调平螺钉30，调整a轴装置水平；将生成的gcode文件导入到sd存储卡中，后插入到控制板的sd卡槽3中进行三维模型数据读取；通过控制组件的旋转按钮1，依照显示屏2内容选取待打印文件；

然后，对打印装置进行x、y、z和a轴进行归零，设定打印坐标原点；挤出头15和a轴5进入预加热阶段；待挤出头15和a5轴达到指定工作温度后，主控板读取下行g代码，在x向驱动步进电机18、y向驱动步进电机12和z向驱动步进电机27联合运动下，挤出头15和a轴5到达第一打印层的起始位置；

该打印机装置工作时，将打印材料热熔后通过挤出头15挤出，同时散热风扇16转动，为挤出头散热；挤出头15与a轴5表面初始距离设定为0.2～0.3mm，保证熔融后的打印材料能够粘结于a轴表面上。

主控板控制送料挤出步进电机10以预定速度向挤出头15进料，经打印喷头装置加热到后挤出。首先在a轴打印区域外进行材料熔融后的实际挤出速度调整，待熔融材料以稳定速度从挤出头挤出后，开始进入核心打印阶段；

在该阶段，主板通过不断读取sd卡中文件的加工代码，在对e向驱动步进电机10、x向驱动步进电机18、z向驱动步进电机27和a向驱动步进电机8的联合驱动下，逐层完成打印。

打印完成后，挤出步进电机10停止送料，整体a轴装置在z向驱动步进电机27的驱动下下降到z轴零点，x轴和y轴也相继归为至零点，挤出头15停止加热，通过散热风扇16降温。a轴装置也停止加热，在室温下冷却。

打印装置以整圈连续旋转的a轴表面作为成型平台，其打印工作区域采用可拆卸轴套方式，能够十分方便制备出薄壁管网状结构，并有效提高了试件打印的成型率和表面质量。